CN102728582B - 一种直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法，具体步骤包括：将石英粉均匀地涂在石墨件腐蚀层上，将涂覆过石英粉的各个石墨件，按照生长单晶硅时各个石墨件的结构顺序安装于单晶炉内；抽真空，将石墨件逐步加热到1650℃-1700℃，缓慢降温，待热场温度≤100℃以下时拆炉；打开单晶炉炉体，待热场冷却后，取出各个石墨件；去除每个石墨件表面上的残余石英粉，并将每个石墨件表面清理干净即成。本发明的方法，通过SiC与石英粉在高温下的反应，能够延长石墨件的使用寿命15-30炉；适用于直拉单晶硅中使用的各个石墨件。

Description

一种直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法
技术领域
本发明属于单晶硅生产技术领域，涉及一种直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法。
背景技术
单晶硅的生长方法主要以Czochralski法（直拉法）为代表。组成直拉法单晶炉热场主要部件有隔热体、单瓣块体拼成的石墨坩埚、加热器、热屏、保温筒、埚托、保温盖等。
以下文本中的石墨件是指石墨坩埚、隔热体、加热器、热屏、埚托。
在直拉法工艺中，单晶炉内温度高于1400℃，石英坩埚在高温下软化，与多晶硅原料发生反应由此生成SiO气体，SiO气体继续与石墨件反应，生成一氧化碳、碳化硅等，反应时间越长碳化硅穿透石墨件越深，从而造成对石墨件的腐蚀，其化学反应式如下：
SiO2+Si=2SiO，SiO+2C=SiC+CO，SiO2+C=SiO+CO。
碳化硅和石墨拥有不同的热膨胀系数，当碳化硅达到一定深度时，石墨件就会破裂，降低了石墨件的使用寿命；碳化硅也易与石英坩埚反应，使石英坩埚变薄，容易使石英坩埚造成漏硅，增加生产成本高。
发明内容
本发明公开了一种直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法，解决了现有技术中无法去除石墨件上碳化硅腐蚀层，导致石墨件使用寿命短，生产成本增高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在单晶炉内安装石墨件
1.1）将石英粉均匀地涂在石墨件腐蚀层上，石英粉的粒径≤0.5mm，二氧化硅层的厚度为腐蚀层的1.2-2倍；
1.2）将涂覆过石英粉的各个石墨件，按照生长单晶硅时各个石墨件的结构顺序安装于单晶炉内；
步骤2、抽真空及加热
闭合单晶炉，将单晶炉内抽真空，使单晶炉内压力≤20Pa；
抽真空完毕后，验证泄漏率，要求泄漏率≤10Pa/小时；
给定氩气流量为40-80L/min进行压力化，此时单晶炉内压力达到399-1330Pa，设定埚位为-50；
将石墨件逐步加热到1650℃-1700℃，此时，石墨件腐蚀层与石英粉发生反应；
缓慢降温，待热场温度≤100℃以下时拆炉；
步骤3、将各个石墨件出炉
验证单晶炉内的真空度及单晶炉炉体的泄漏率，要求真空度≤65Pa、泄漏率≤65Pa/小时，打开单晶炉炉体，待热场冷却1.5h后，取出各个石墨件；去除每个石墨件表面上的残余石英粉，并将每个石墨件表面清理干净即成。
本发明的有益效果是：1）通过SiC与石英粉在高温下的反应，减少腐蚀层对石墨件与石英坩埚的腐蚀，能够延长石墨件的使用寿命15-30炉。2）使用范围广，适用于直拉单晶硅中使用的各个石墨件。
附图说明
图1是现有良品的石墨件截面示意图；
图2是石墨件使用一段时间产生腐蚀后的截面示意图；
图3是采用本发明方法在腐蚀层表面涂覆二氧化硅层的截面示意图。
图中，1.石墨层，2.碳化硅层，3.二氧化硅层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，良品的石墨件的主体部分全是石墨层1。
参照图2，随着石墨件使用一段时间产生腐蚀后，其石墨层1的内表面转化为碳化硅层2（又称腐蚀层）。
本发明的直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法，将单晶硅生产过程中因腐蚀产生一定厚度的碳化硅层2的石墨件，在碳化硅层2的表面涂覆与腐蚀层相应厚度的二氧化硅层3，在温度为1600-1700℃，氩气或氮气作保护气体（氧含量≤2ppm，纯度≥99.999%）流量为40-80L/min，压力为399-1330Pa的条件下，经过逐步加热，使SiC与石英粉在高温下反应，
反应方程式是：SiO2(s)+SiC(s)=2SiO(g)+C(s)，以此去除石墨件表面的SiC，实现石墨件的清洗，延长石墨件的使用寿命。参照图3，本发明方法是在碳化硅层2的内表面涂有二氧化硅层3（又称石英粉层）。
本发明的直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法，具体按照以下操作步骤实施：
步骤1、在单晶炉内安装石墨件
1.1）参照图3，在已经被腐蚀了的石墨件腐蚀层上涂一层二氧化硅层（即石英粉），将石英粉均匀地涂在石墨件腐蚀层上，石英粉的粒径≤0.5mm(石英粉粒径越小反应越充分)，二氧化硅层的厚度为腐蚀层的1.2-2倍（要保证碳化硅层反应彻底，就必须使石英粉过量）；
1.2）将涂覆过二氧化硅层（即石英粉）的各个石墨件，按照生长单晶硅时各个石墨件的结构顺序安装于单晶炉内，
实施例中，从下到上依次为底毡、压板毡、护底压板、石英护套、电极护套、托杆护套、石墨电极、下保温筒、加热器、电极螺栓、石墨护盖、主罩、过渡盘、托杆、隔热盘、埚托、埚底、埚帮、上罩、下保温盖、热屏、固毡大盖及封气条；
步骤2、抽真空及加热
上述各个石墨件安装完毕后，闭合单晶炉，打开主泵与节流阀，将单晶炉内抽真空，使单晶炉内压力≤20Pa，否则石墨件会被氧化，影响使用寿命；
抽真空完毕后，依次关闭节流阀及主泵，验证泄漏率，要求泄漏率≤10Pa/小时；若泄漏率不合格，继续打开主泵抽真空，直至泄漏率合格；泄漏率太高会影响炉内真空度，从而影响炉内石墨件清洗的品质，
依次打开主泵、节流阀，并给定氩气流量为40-80L/min进行压力化，此时单晶炉内压力达到399-1330Pa，设定埚位为-50，
将石墨件逐步加热，以防石墨件热胀冷缩而破裂，并且逐步加热方式也会保护单晶炉体，延长使用寿命，以下为逐步加热过程及逐步降温过程：
2.1)设定单晶炉的加热器功率为5-10kw，保持10-15min，热场温度保持在500±3℃；
2.2)设定单晶炉的加热器功率为25-35kw，保持15-20min，此时热场温度仍保持在500±3℃；
2.3)设定单晶炉的加热器功率为45-55kw，保持15-20min，此时热场温度从500±3℃升至503±3℃；
2.4)设定单晶炉的加热器功率为55-65kw，保持10-15min，此时热场温度从503±3℃升至510±3℃；
2.5)设定单晶炉的加热器功率为65-75kw，保持10-15min，此时热场温度从510±3℃升至525±3℃；
2.6)设定单晶炉的加热器功率为75-85kw，保持10-15min，此时热场温度从525±3℃升至551±3℃；
2.7)设定单晶炉的加热器功率为85-95kw，保持230-250min，此时热场温度从551±3℃升至1700±10℃；
2.8)设定单晶炉的加热器功率为65-75kw，保持20-40min，此时热场温度从1700±10℃降至1600±10℃；
2.9)设定单晶炉的加热器功率为85-95kw，保持190-210min，此时热场温度从1600±10℃升至1700±10℃；
2.10)继续设定单晶炉的加热器功率为90kw，保持180-200min，此时热场温度在1650℃-1700℃范围，此时，石墨件腐蚀层与石英粉发生反应；
此步骤是为了达到反应温度条件，使得石墨件的反应效果达到实验目标，
2.11)关闭单晶炉的加热器，将氩气流量从30-40L/min提升至60-80L/min保持60min，此时热场温度从1700±10℃降至700±5℃；
2.12)停止通氩气，同时关闭单晶炉的加热器，保持270-300min，此时热场温度从700±5℃降至300±3℃；
2.13)继续降温，待热场温度≤100℃以下时拆炉，温度过高会氧化清洗过的石墨件，影响石墨件的品质；
步骤3、将各个石墨件出炉
验证单晶炉内的真空度及单晶炉炉体的泄漏率，要求真空度≤65Pa、泄漏率≤65Pa/小时，打开单晶炉炉体，待热场冷却1.5h后，取出各个石墨件；去除每个石墨件表面上的残余石英粉，并将每个石墨件表面清理干净即成，明显可见石墨件的腐蚀层已与石英粉发生反应，腐蚀层得到修复并露出石墨件原色。
所述的石墨件为每使用5-10炉就采用本发明方法清洗一次，与一直使用的石墨件做对比，其中的石墨坩埚、加热器的实验结果参照表1、表2：
表1：石墨坩埚清洗前后使用寿命对比
Figure BDA00001859703900061
没有清洗过的石墨坩埚出现漏硅事故的有三炉，经过清洗的石墨坩埚未出现漏硅事故。
表2：加热器清洗前后使用寿命对比
综上所述，本发明方法，步骤简单，修复成本低，清洗效果好，完全适用于单晶炉中的所有石墨件的清洗。

Claims (2)

1.一种直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法，其特征在于，具体按照以下操作步骤实施：
步骤1、在单晶炉内安装石墨件
1.1）将石英粉均匀地涂在石墨件腐蚀层上，石英粉的粒径≤0.5mm，二氧化硅层的厚度为腐蚀层的1.2-2倍；
1.2）将涂覆过石英粉的各个石墨件，按照生长单晶硅时各个石墨件的结构顺序安装于单晶炉内；
步骤2、抽真空及加热
闭合单晶炉，将单晶炉内抽真空，使单晶炉内压力≤20Pa；
抽真空完毕后，验证泄漏率，要求泄漏率≤10Pa/小时；
给定氩气流量为40-80L/min进行压力化，此时单晶炉内压力达到399-1330Pa，设定埚位为-50；
将石墨件逐步加热到1650℃-1700℃，此时，石墨件腐蚀层与石英粉发生反应；缓慢降温，待热场温度≤100℃以下时拆炉；
步骤3、将各个石墨件出炉
验证单晶炉内的真空度及单晶炉炉体的泄漏率，要求真空度≤65Pa、泄漏率≤65Pa/小时，打开单晶炉炉体，待热场冷却1.5h后，取出各个石墨件；去除每个石墨件表面上的残余石英粉，并将每个石墨件表面清理干净即成。
2.根据权利要求1所述的直拉法生长单晶硅用石墨件的清洗方法，其特征在于：所述的步骤2中，所述的逐步加热过程及降温过程是，
2.1)设定单晶炉的加热器功率为5-10kw，保持10-15min，热场温度保持在500℃；
2.2)设定单晶炉的加热器功率为25-35kw，保持15-20min，此时热场温度仍保持在500℃；
2.3)设定单晶炉的加热器功率为45-55kw，保持15-20min，此时热场温度从500℃升至503℃；
2.4)设定单晶炉的加热器功率为55-65kw，保持10-15min，此时热场温度从503℃升至510℃；
2.5)设定单晶炉的加热器功率为65-75kw，保持10-15min，此时热场温度从510℃升至525℃；
2.6)设定单晶炉的加热器功率为75-85kw，保持10-15min，此时热场温度从525℃升至551℃；
2.7)设定单晶炉的加热器功率为85-95kw，保持230-250min，此时热场温度从551℃升至1700℃；
2.8)设定单晶炉的加热器功率为65-75kw，保持20-40min，此时热场温度从1700℃降至1600℃；
2.9)设定单晶炉的加热器功率为85-95kw，保持190-210min，此时热场温度从1600℃升至1700℃；
2.10)继续设定单晶炉的加热器功率为90kw，保持180-200min，此时热场温度在1650℃-1700℃范围；
2.11)关闭单晶炉的加热器，将氩气流量从40L/min提升至60-80L/min保持60min，此时热场温度从1700℃降至700℃；
2.12)停止通氩气，同时关闭单晶炉的加热器，保持270-300min，此时热场温度从700℃降至300℃；
2.13)继续降温，直至低于100℃。
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